試驗10薄膜材料的制備及性能檢測

1、實驗十薄膜材料的制備及性能檢測一、實驗目的. 了解磁控濺射的原理及儀器裝置、操作方法。.通過實驗掌握涂層性能分析的實驗技術。二、實驗原理用于轟擊靶材的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，因為離子在電場下易于加速 并獲得所需要的動能，因此大多數(shù)采用離子作為轟擊粒子。離子轟擊靶材時將靶面原子擊 出的現(xiàn)象稱為濺射。所以濺射鍍膜就是指在真空中利用荷能粒子轟擊靶材表面，使被轟擊 出的粒子沉積在基片上，在基底上形核生長形成薄膜的過程的一種技術。通常，利用低壓 惰性氣體輝光放電來產生入射離子。鍍膜時，靶材為陰極，基材為陽極，真空室中一般為 0.1-10Pa的Ar氣或其它惰性氣體（一般選擇Ar氣作為濺射氣體）

2、。20世紀三四十年代首次利用濺射鍍膜技術成功制備了薄膜，且在六七十年代實現(xiàn)工業(yè)化應用，尤其在近幾十年 內，濺射鍍技術發(fā)展迅速，利用該技術制備的新型材料也數(shù)不勝數(shù)。目前濺射方法很多， 主要有二級濺射、三級或四級濺射、磁控濺射、對靶濺射、射頻濺射、偏壓濺射、非對稱 交流射頻濺射、離子束濺射以及反應磁控濺射等。磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基材的過程中與Ar氣氣體分子發(fā)生碰撞，使其電離產生出Ar+和新的電子；新電子飛向基材，Ar+在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶材表面，使靶材發(fā)生濺射。被濺射出的粒子中，中性的 靶材原子或分子沉積在基材表面生成薄膜，而產生的二次電子會受

3、到電場和磁場作用，在 E （電場）XB （磁場）所指的方向漂移，簡稱EXB漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場， 則電子就以近似擺線形式在靶材表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶材表面的等離子體區(qū)域內，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar+來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高速沉積。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離 靶材表面，并在電場E的作用下最終沉積在基材表面。由于該電子的能量很低，傳遞給基材的能量很小，致使基材溫升較低。磁控濺射是入射粒子（如Ar+）和靶原子的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動能傳遞給靶原子，而此靶原子又與其他

4、靶原子碰撞，形 成級聯(lián)效應，在這種級聯(lián)效應中某些獲得足夠向外運動動能的靶材表面靶原子就會離開靶 材表面被濺射出來。三.試驗方法實驗材料實驗分別選用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼、K38G高溫合金和馬氏體熱作模具鋼材料H13鋼（4Cr5MoSiV1 ）為基體材料，將實驗材料用電火花線切割成15mm x 10mm x 2mm的片狀樣品。實驗前基體試樣的預處理基體試樣在放入真空腔前須經(jīng)過嚴格的清潔處理，去除基體表面粘附的各種油污、粉刺、汗 漬等污物來保證涂層的純度和結合強度等?；w前期預處理步驟為：首先將線切割加工的試樣進 行機械研磨或拋光處理，然后將打磨好的樣品放在丙酮溶液中超聲清洗，隨后將丙酮

5、清洗過的樣 品用無水乙醇超聲清洗，干燥后待用。為了進一步提高涂層的綜合性能，試樣放入真空室后在膜 層物質沉積之前還需要對樣品進行清洗，具體過程是：首先使用高能離子對試樣進行轟擊以進一 步清除試樣表面的氧化皮及其他污染物，然后將預濺射后的靶材在低功率下同時對樣品進行轟擊，進一步提高樣品的表面活化能。離子轟擊前先將Ar氣引入真空腔，真空室內壓力為1Pa左右，轟擊時采用脈沖偏壓，其偏壓值為 -800V左右。涂層沉積CrN涂層的制備采用沈陽科友真空技術有限公司的FDJ700型高真空多功能薄膜沉積設備的閉合場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)。沉積工藝如下：抽真空-系統(tǒng)加熱（充入Ar氣，輝光放電）-高能離子轟擊去

6、除基體表面氧化皮和其他污物及預濺射-沉積Cr結合層-通N2,開始沉積涂層-降溫后取出樣品。所有實驗用的靶材都使用直流電源模式，真空室內施加的偏壓均為脈沖模 式，工作氣壓 0.5Pa,本底壓力10-4Pa。顯微結構表征形貌觀察通過觀察微觀組織形貌可以了解物質內部結構所決定的外部幾何特征，包括表面形貌、截面形貌和金相組織特征。 涂層的微觀形貌有助于分析其生長機理及物理性能等。本實驗中涂層的表、截面形貌是在場發(fā)射才3描電子顯微鏡（ FESEM, Zeiss Sigma, Germany）上獲得的。其中，通過 截面形貌可以計算所沉積涂層的厚度。成分分析對于涂層整體的化學成分分析，常常解釋不了鍍層性能和

7、工藝之間的關系。只有了解化學成 分在微區(qū)空間的分布，才能描述其顯微組織。這種微區(qū)空間化學元素的分布狀態(tài)，可以通過深度 分析和涂層截面分析兩種途徑獲得。常用的表面和深度分析方法有能譜（EDS）、俄歇電子能譜（AES）、電子探針（EPMA）和光電子能譜（XPS）等。本實驗使用能譜（EDS）分析涂層的元素組成。3.5.3物相分析X射線衍射是測定物質晶體結構的最常用方法，它具有精度高、方法簡單等特點，利用它可 用來分析涂層的相組成及其晶體結構、晶粒的尺寸分布及晶面擇優(yōu)取向等。它給出的結果是整個 涂層信號的疊加，通常還包括基體的衍射峰。X射線衍射的原理是描述晶體原子平面進行X射線散射的相干涉條件滿足Br

8、agg方程：2dsin n-n 式中，入為入射x射線波長，d為晶面間距，。為衍射角，即入射角。本實驗中采用 XRD （Shimadzu XRD-6100 , Japan）分析了基體及涂層基體的相組成及晶面擇優(yōu)取向。選用 Cu靶X射線管，電壓40kv,電流30mA,連續(xù)掃描模式，掃描速度37min,掃描角度10-80。，步長0.03 o在進行物相分析時只需要將所測得的圖樣的相與標準卡相進行對照，如 果所測樣品的圖樣的d和I值能與標準卡片很好的吻合，就可以認定試樣的物相就是該標準樣物相。但是標準卡片數(shù)量大，對照工作復雜，需要借助索引來查找。性能測試結合力也要 T日打界闿m t 口.除 .打印a國

9、SS昭勤CFEIniHtf 16:1547村軻*底遍定 劃痕試驗結果輸出圖本論文中涂層的結合力是在多功能材料表面性能試驗儀（MFT-4000 ,蘭州華匯儀器科技有限公司）上測量的，該劃痕試驗機由自動加載劃痕系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)聽記錄裝置以及控制微機組成。該設備利用聲發(fā)射信號來檢測劃痕信息，可以設定不同的加載速率和劃痕速度，配合聲發(fā)射監(jiān)聽測定臨界載荷值。金剛石壓頭錐角120,曲率半徑0.2mm。顯微硬度本論文中涂層的硬度是在數(shù)字式顯微硬度計（MH-50 ,上海恒一精密儀器有限公司）上測量的。為得到準確的硬度值，選用三種不同載荷，分別打三個點，取平均值，利用上文所述理論，得出最接近理論值的硬度值，測量方

10、法如下圖所示，載荷分別為10、25、50gf,加載時間為15s。壓痕對角線越短，硬度越高。CrN涂層在不同載荷下的壓痕形貌四、實驗結果1000102030405060708020 /deg.CrN涂層的XRD圖譜從圖中可以看出：CrN涂層中主要含有金屬Cr、orth-CrN和少量的Cr2NCrN涂層的表面形貌（a）和截面形貌（b）上圖給出了 CrN涂層的表面形貌和截面形貌。從圖中可以看出，涂層為等軸晶，結構致密，表面色澤均勻一致。涂層厚度約5 pm,斷面組織無明顯裂紋、空隙等缺陷，涂層與基體界面整齊且清晰可見，這保證了涂層與基體之間的良好的結合力。嬋就鞫LoailZN劃痕實驗后CrN涂層的劃痕形貌及聲信號